IMT SS2010 Teil1 Handout - mb.eah-jena.de · Ziele ¾Überblick über die Messtechnik und Durchführung von Messungen im industriellen Umfeld ¾Anwenden von Kriterien für die Auswahl

Industrielle Messtechnik

Prof. Dr.‐Ing. Michael Kaufmann Industrielle Messtechnik

Ziele

Überblick über die Messtechnik und Durchführung von Messungen im industriellen Umfeld

Anwenden von Kriterien für die Auswahl von Messverfahren und –geräten für den industriellen Einsatzg

Fähigkeit zur selbständigen Auswahl von Messverfahren und –geräten

Kenntnisse über den Aufbau von Messeinrichtungen im industriellen Umfeld

Üb bli k üb S f M d fÜberblick über Software zur Messdatenerfassung


Industrielle Messtechnik

Software zur Kommunikation Messdatenerfassungund ‐auswertung

Kommunikation (Datenübertragung)

Ausgewählte Messverfahren

Geräte der Messdatenerfassung und

‐auswertung

Aufbau von Messsystemen

Aufbau von Automatisierungs‐

systemen

Basis: Grundlagen der Messtechnik 1 und 2

Prof. Dr.‐Ing. Michael Kaufmann Industrielle Messtechnik 3

Automatisierungssystem

MenschBeobachten, Bedienener

“„P

artn

e

Leiteinrichtung,Leitsystem“

KommunizierenRück-Koppl

Vor-gaben

ung:

3 „Leitsystem“

VPS / SPS / PLS,einschließlich Busse,

/

Steuern, Regeln, ÜberwachenKoppl. gaben

atis

ieru Ein / Ausgaben

Ergebnis-Größen

Messen Schützen

Aut

oma

Technischer Prozeß

Einfluss-Größen

Ergebnis Größen

A Technischer Prozeß

Material -,Energie - oder

Material -, Energie -

Produzieren


gInformations - Zufluss

goder Informations - Abfluss

© Kleiner, Erich, DHBW Mannheim

Regeln und Steuern

Führungs - Regeln Bedien- Steuernggrösse(Sollwert) W

Regeln

Regelgrösse Stell -

SR

Befehl,Bedingung,Rück-meldung

Steuern&

f(X, W)g g

(Istwert) X

Messen Stellen

grösse Y

Messen Stellen

meldung

nzip Stell-

Prozess Prozess

n,

Prin Befehl

PM

PZU OFFEN ZU AUFI I

el: M

esse

n, P

roze

ss

PM

Bei

spie

Stel

len



Überwachen

ngen

ÜberwachenGrenzen(f t )

Mel

dun(fest, var.)

Istwerte

M

Messen

PProzess



Ebenen‐Modell

UFühren des

Dispositiv

Unternehmens - /M tU.-

Leit-Ebene

Führen desUnternehmens

Management -Daten

Führen desBetriebes

Betriebs-Leitebene

Info -StromBetriebs - /

Produktions -D t

Führen des Prozess-Prozess -

Daten

Prozesses

Operativ

Leitebene

Einzel - Leitebene

Gruppen -Prozess -Daten

Roh Material Fertig - Material

Material-Strom

P


Roh - Material Fertig - MaterialProzess© Kleiner, Erich, DHBW Mannheim

Messkette


Analoge Messungen, allgemein

Analog- Überw - Analog- Überw.-Analog Überw.Signale Signale

s(4

..2

0)

rsc

hr.

)

s(4

..2

0)

rsc

hr.

)

g

Signale Signale

ch

,E

rds

chlu

ss

(Be

reic

hsü

be

r

ch

,E

rds

chlu

ss

(Be

reic

hsü

be

r

f

Le

itu

ng

sbru

cM

U-

De

fek

t

f

Le

itu

ng

sbru

cM

U-

De

fek

t

+24 V

Ü

+24 V mA

Ü

4..

20

mA+24 V +24 V

0/

4..

20

m

=

x

=

x

z.B.P/ P


(Mess-blende)


Temperaturmessungen

A l Üb )

(4..2

0)sc

hr.

)berw

achu

ng)Analog- Überw.-

Signal Signale

s(4

..20)

ers

chr.)

überw

ach

ung

)

s(4

..20)

ers

chr.)

,E

rdsc

hlu

ssB

ere

ich

süb

ers

Gra

die

nte

nüb

cesy

ste

m

h,Erd

schl

uss

(Be

reic

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be

(Gra

diente

nü

ch,E

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hlu

ss(B

ere

ichsü

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eitu

ngsb

ruch

MU

-D

efe

kt(B

Th.E

l.-B

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(G

ee

ring

/S

erv

i

Leitun

gsb

ruc

MU

-D

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kt(

Th.

El.-B

ruch

Lei

tungsb

ruc

MU

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efe

kt(

ÜL M T

Vom

Engin

e

Ü

=

Ü

=4..2

0m

A+24 VT(mV)= T(R)=

+24 V

Thermo- elemente

=T

eic

hsst

elle

npen

satio

nWiderst


mit / ohne Messumf.

MU im„Kopf“

=

Ver

gle

Kom

p Widerst.Therm.


Puls‐ und Digitaleingaben

uss

kt)

h,

Erd

schl

u

enso

rde

fe

#

T TT

itung

sbru

ch

defe

hler

(Se

n

Ü

Lei

Co

d

Ü

+24 V +24 V

#

Winkel,Weg,Menge(Zähler

Drehzahl,Menge,WegMenge


(Zähler -Code)

Menge(Pulse)


Prinzip Messwertaufbereitung

Leit-

Einrichtung

- CPU

Ort: Teilfunktion: Beispiel: Druckmessung Erläuterungen

Analogsignal Grenzsignale Überwachungssignale

GrenzwerteHysterese

Grenzsignal-Bild

z.B. 4 Grenzsignale:

<MIN, <TIEF, >HOCH, >MAX

Umschaltung bei Störung,Abschalt.durch Wartung

Ersatzwert

Simulationswert

fKorrektur(dP f. F,L)

Hysterese

Aufbereitung

Simulation

Störungsbehandl.

Simulation (durch Wartung)

Bildung

Umschaltung auf parametrierten

Festwert

Umschaltung auf variablen

Simulationswert

MIN, TIEF, HOCH, MAX

- Eingabe-Gerät

Auswertung (I -> U),Überwachung (Messbereich)

>MAX

<MIN Bei 4 .. 20 mA: < 4 mA = Drahtbruch!

fDämpfung (wenn nötig)

fLinearisierung (T)

Grenze CPU / Eingabegerät

Produkt - abhängig!

Bereichsüberschreitung

Messwert

# uA/D -WandlÜberwachung (Messbereich)

Spannungsversorgung,Absicherung / Entkopplung

Signalverteilung / Rangierung,

Versorgung getrennt oder im Eingabegerät

Zuordnung zwischen Feld-Anordnung

und Eingabegeräten

Shunt+24V

Multi-plexer

Wandl.

Prozess

(„Feld“)

Umformung inelektrische Größe,S d d (0/4 20 A)

I

„eingeprägter“ Strom: Leitungswiderstand - unabhängig

Verkabelung

„2 - Leiter -

Messumformer“

Umformung inelektrisch erfassbare Größe

Weg

Mess-

dose

Standard: (0/4 .. 20 mA)


Nicht- elektrische GrößeDruck (P)

„Impulsleitung“


Binärsignalbehandlung

Grenz-Wert

D h I

g

Sim.-Wert

Durch In-standhalter(Bediener)

rsc

hre

itu

ng

Wer t

Ersatz-

Störung

reic

hs

üb

er

F(x)

Wert

ÜKorrektur,z.B. fürD hfl

Be

r

P P TDurchfluss-Berechnung


Mehrkanalige Binärsignale

Sicheres MeldungBinärsignal

Sicheres MeldungBinärsignal

)

&

=„G

UT

“)

z.B.2 v 3 1 v 3

=

wen

n„1

“

nal

1n

al2

nal3

na

l1na

l2

(w

Ka

nK

an

Ka

n

Ka

nK

an


Analogsignalverarbeitung, Temperatursignalverarbeitung

Grenz-W t

Grenz-Wert

Sim.-W t

Wert

Durch In-standhalter(Bediener)

sch

reit

un

g

Sim.-

Wert

Durch In-standhalter(Bediener) ch

reitu

ng

Wer t

Ersatz-Wert

Störunge

reic

hs

üb

ers Wert

Ersatz-Wert

Störung

ere

ich

sü

be

rsc

F(x)

P P T

Wert

ÜKorrektur,z.B. fürDurchfluss-Berechnung

Be

F(x)

Wert

Ü

Korrektur,z.B. fürLineari-sierung:

Be

Berechnung g


Mittelwertbildung

Sicheres MeldungAnalogsignal

Sicheres MeldungAnalogsignal

Mittel-Zuläss.Diff

Mittel-Wert mitK l Ab h lt

1 Kan. falsch2 Kan. falsch

1 2

MittelWert Diff.

Differenz

al1

al2

al3

Kanal - Abschaltung

Ka

nal

Ka

nal

Ka

naK

ana

Ka

naProf. Dr.‐Ing. Michael Kaufmann Industrielle Messtechnik

SPS Siemens SIMATIC S7‐300


SPS


SPS Programmablauf


Programmstruktur

Baum Darstellung Wirkungsweise Ablauf

Organisationsbaustein

Programmbaustein 1

Organisationsbaustein

Aufruf von Programmbausteinen:

Programmbaustein 1z B :

Baum - Darstellung Wirkungsweise Ablauf

0 10 20 30 40 50 60 70 80 ms

1 t1 1 1 1

2 2Programmbaustein 1

F kti b t i

Programmbaustein 1

Programmfreigabe

Zykluszeit

- Einlesen Eingangswerte

- Programmabwicklung

&

z.B.:120ms Einlesen von

- Eingabegeräten,

- internen Speichern,

K l deit s

„frei“

Funktionsbaustein

Funktionsbaustein

Funktionsbaustein

&

>1

S

R

- Koppler zu anderenOrganisationsbausteinen /Systemen

Rechenze

z.B

.10

ms

... ...

- Schreiben Ergebniswerte

Schre iben in- Ausgabegeräte,

- interne Speicher (Merker)

- Koppler zu anderenOrganisationsbausteinen /

Ergebniswert

Programmbaustein 2

Programmfreigabe

Zykluszeit

- Einlesen Eingangswerte

- Programmabwicklung

Programmbaustein 2z.B.:50 ms

Organisationsbausteinen /Systemen

F k i b i eit s

CPU - „Last“:

R h it

...

A b E b i t

Funktionsbaustein

Funktionsbaustein

Funktionsbaustein

Funktionsbaustein

... Rechenze

z.B

.15

ms

P ro Funkt.Baustein :Rechenzeit

Zykluszeit

Beispiel:Tr1Tz1

Tr2Tz2

+

10 15


- Ausgeben Ergebniswerte 1020

+= 1550

= 0,8 (=80%)


Programmablauf

0 10 20 30 40 50 60 70 80 ms Rechen- Zyklus-Zeit: Zeit:

1 t1 1 1 1

2 2

Zeit: Zeit:Progr. 1: 10 ms 20 ms

Progr. 2: 15 ms 50 ms

„frei“Progr. 2: 15 ms 50 ms


Binäre Elemente (1) Allgemein: Binäre Verknüpfungsfunktionen: (1 Bit - ) Speicher:Form: Rechteck,(„Kontur“) Seiten beliebigFunktion: Symbol,

Name oder eindeutigeAbkürzungen

&

S 1

UND

ODER

E1 AE2

&E1E2A

E1 AE2

>1E1E2

R/S - Flip-Flop (Rücksetzen / Setzen) Grundsymbol

S R

SR

AND

Wirkungs-Richtung: von links nach rechts, oder von oben nach unten, abweichend: Bez. od. PfeilSignal-

R1

Exclusiv- ODER

E21 E2

A

E1 AE2

=1E1E2A

??Signal-Definition nach Einschaltender Speisespannung

S SI = 0

Ausg.

gdefinition: Dargestellte Funktion gilt für Logik- Zustand „1“ (= „GUT“, „WAHR“) alternativ auch mit den physikalischen Signalpegeln „H“/„L“ (H: höherer Wert)

&„1“„1“

„1“Äqui-valenz( = Antivalenz)

Kombinierte Binäre Funktionen:

S R

SR

?Definition der Dominanz(„Vorfahrt“, wenn S & R = 1)

Ausg.E1 AE2

=E1E2A

g p g „ „ ( )

Signaleinwirkung ( = „1“ statisch:E1 A

E1E2

Kombinierte Binäre Funktionen:NAND E1 A

E2& E1

E2A

E1 A E1

(„ , )

S 1R1

SR

(über die Nr., hier „1“, ZuordnungAusg.

dynamisch: (hier E2 auf „Flanke“)

E1 AE2

& E2A

E1 A&E1E2

NOR

„Sperr-UND“

E1 AE2

>1E1E2A

E1 A E1

( , „ , g des dominierenden Eingangs)

S NV

Ausgang behält Zustand auch nachSpannungs - Ausfall(Non Volatile)

negierend:E2

& E2A

E 1 AEA

E1 AE2

&E1E2A

E 1 A& =

&>1

Kombinationvon Konturen

Alte Darstellung1 01 1 Lage nach Spann. EIN

RDarstellung desnegierten Ausg.

F i b 0 EN


>1>1von Konturen

(Platzgründe) Andere FlipFlops wie „Master-Slave“und „J-K“ kommen kaum vor.

Lage nach Spann. EIN

ENFreigabe: 0 an EN setzt alle Ausg. Auf 0


Binäre Elemente (2) Zeitglieder (binär) Digitale FunktionenAstabile ElementeEinschalt - Verzögerer

2s 0Z.B. 2sEingang E

E

gBinär - Zähler, 14-stufig

A

Taktgenerator allgemein gesteuert / !G = synchronisiert

GG G&

= CTR14 + 0CT=0 1

2

vorw. ZählenRücksetzen

Bit-Ausgänge,(Bei IC - Dok.E

TA

Ausschalt - Verzögerer

0 2sZ.B. 2s A

Wandler Element mit Hysterese (Analog - binär)

EHyst.

2 3 4...13

CT ggf.nicht alle vorhanden)

Ni h i d N b i PLS i ll

ETA

0 2sEingang E Afür „kleiner“)(

Codierer, Code - Umsetzerallgemein Art der Umsetzung.

( / )

ZAEE AEW

Nicht in der Norm, aber in PLS sinnvoll:Zähler auf Endwert EW

ZähleingangEndwert

Endwert erreicht(Puls-)

Trigger / Blocker / One-ShotMonostabiles Element

nachtriggerbar

2sZ B 2s

X / Y

. . .

. . .

- im Kennzeichen (X/Y) und Eing. / Ausg. Bez.- oder Tabelle

DEC/BCD Beispiel:von Dezimal

Schieberegister, 8 bit, serieller Ein / Ausg.

RRücksetzen

SRG81D ADateneingang (1) Daten -

A

ETA

2sZ.B. 2sEingang E A

0 11 2.. 49 8

. . .

von Dezimal nach BCD

Multiplexer / Demultiplexer (spiegelb )

1D A C1/

g g ( )„Schiebe-Eingang“(übernimmt mit 1 Flanke bit von D1)

Ausgang

Hierbei oft verwendet: „Steuer - Block“

Betriebsart „Abbruch“(nicht in der Norm):

E

1 nicht nachtrigg.barMultiplexer / Demultiplexer (spiegelb.)

MUX010

G --04

.

Beispiel: 1 aus 4 schaltet c .. f auf g (G: Abhängigkeit der nachf. Ziffern (Eing.0 - 4)

abcd

„EN

Steuert darunterangeordneteFunktionsblöcke


ETA

..4

. . ( g )

von G-Eing. 0 und 1def

g


Analoge Elemente, Norm und PLS ‐ Funktionsbausteine Analoge Funktionen (Beispiele) wie in PLS - Funktionsbeschreibungen verwendetAllgemein:Signalbereich: -100 ... +100 %

E*: Eingangszahl erweiterbar

Summierer(Addierer) E1 A

E2*

Form, Wirkungsrichtung: wie bei binären ElementenFunktion: F(x1 .. Xn)

x1. .

A

Zeitglieder (analog)Verzögerungsglied

E AEingangPT1

E

( )nxxfA ..1= *21 EEA +=

Multipli-zierer

E1 AE2 x

S i

%10021 EEA •

=

xn.

Beispiel: XYXY

E AKpT1

EingangProp. Verst.Verz. Zeit

A T1

EIntegrierer

AYXA •=

Summier-Multipli-zierer

E1 AE2*K

Dividierer E1 A/ %1001•=

EA

Analoger Eingang / Ausgang

U

# #Digitaler

E ATiR

EingangIntegrationszeit. Rückstellung

INT

A

( )*21 EEKA +=

E1 AE2 / %100

2•=

EA

Radizierer E A

# #DigitalerEingang / Ausgang

(nicht in Norm, aber üblich: binärer Eingang / Ausgang)BIN in Umsetzern für binär

E AKpT1

EingangProp. Verst.Diff Zeit

PDTE

AKD

Differenzierer

100|| •= EA

MINE1 AE2*

E1E2*

Kleinstwert-Glied(ebenso: Größtwert) A

EAb t t

// isolierend (z.B. U // U)

XAnaloger Operand(vorzugsweise X, Y, aber auch andere)

Zm Eingang Zm „zwingt“

Umschalter

T1Kd

Diff. ZeitDiff. Verst.

KDKP

Ti UMSX1

=oder: S

ABSE1 A

E

A

Absoutwert-Bilder m

Eingang Zm „zwingtallen mit m markiertenAusgängen seinenWert auf (m: Zahl)

EAOG

Begrenzer BEGOG

1 11

(Abhängigkeitsnotation wie Norm)

E1 A E2


AOGUG

OGUGE


Informationsverarbeitung: Basisfunktionen, Funktionsbausteine

& UND Summierer

>1 ODER

NICHT

RSS

Multiplizierer

DividiererRS-FlipFlop

Zeit-

SR

T TE

Kleinst -

Größtwert

MIN

MAXZeitglieder

u s w

T TE

T TEZeitglieder(z.B. PT1)

u.s.w.u.s.w.


Informationsverarbeitung: Numerische Funktionsbausteine

ZählerER A B C D

Schiebereg.A B C DT A

Code-KonverterA1 B1 C1 .. Konverter,String-HandhabungA2 B2 C2..

u.s.w.


Informationsverarbeitung: Komplexe Funktionsbausteine

TSTFESA

BEBA

E1E2Kp

AXD &E1

E22v3

SA

RE

KpTnPOS

&

&

>1 AE3

z.B. Motor-Steuerung

z.B. PI - Regler z.B. 2 von 3


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